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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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1 Einleitung Dem Stand

1 Einleitung Dem Stand der Technik in der Netzplanung entsprechend werden die elektrischen Netze der einzelnen Spannungsebenen manuell oder rechnergestützt von den über- und unterlagerten Spannungsebenen getrennt geplant und Wechselwirkungen zwischen diesen vernachlässigt. Dies ist auf die Komplexität der Planung und auf die bisher langen Rechenzeiten bestehender Verfahren bei größeren Optimierungsproblemen zurückzuführen. Neue Verfahrenansätze zeigen jedoch, dass auch größere Probleme in handhabbarer Rechenzeit lösbar sind, so dass erstmalig die Frage des Nutzens einer spannungsebenenübergreifenden Planung objektiv beantwortet werden kann. 2 Analyse 2.1 Netzkonzepte bei getrennter und spannungsebenenübergreifender Planung Der Fokus der Arbeit liegt in der spannungsebenenübergreifenden Planung von HS- und MS-Netzen. Bei der Planung beider Spannungsebenen werden drei unterschiedliche Netzkonzepte angewandt. Bei der getrennten Planung wird folgendes Netzkonzept verfolgt: 1. Aufgrund der getrennten Planung ist eine eigensichere Auslegung des HS-Netzes notwendig. Das FORSCHUNGSPROJEKTE Bewertung des Nutzens einer spannungsebenenübergreifenden Planung von Hoch- und Mittelspannungsnetzen Evaluating the Benefit of Voltage Comprehensive Planning of High and Medium Voltage Networks Dipl.-Ing. Thorsten Borchard thorsten.borchard@iaew.rwth-aachen.de Bei der Planung elektrischer Verteilungsnetze werden zur Verbesserung und Objektivierung der Planung vermehrt computergestützte Optimierungsverfahren eingesetzt. Derzeitige Verfahren sind aufgrund der Rechenleistung und dem Stand der Technik in der Netzplanung so ausgelegt, dass sie nur eine Spannungsebene bei Vernachlässigung von Wechselwirkungen mit über- und unterlagerten Spannungsebenen berücksichtigen. Mit den bestehenden Verfahren lassen sich für jede Spannungsebene getrennt kostenminimale Netzstrukturen ermitteln, doch bleibt die Frage offen, ob bei einer spannungsebenenübergreifenden Planung ein zusätzliches Kosteneinsparpotenzial erreichbar ist. Die gestiegene Rechenleistung und neue Verfahrensansätze lassen diese Frage erstmalig objektiv beantworten. Planning of distribution networks has been more and more improved and objectified by computer based tools. Due to the computing power and the state of the art in the network planning these tools have been developed to optimize only one voltage level while neglecting the neighboured ones. Cost-efficient distribution networks for a single voltage level can be determined by using these tools, but the benefit of a voltage comprehensive planning of high and medium voltage networks has not been estimated so far. This research project evaluates this benefit. MS-Netz wird als reines Verteilungsnetz geplant. (siehe Bild 1a). Bei der spannungsebenenübergreifenden Planung sind folgende zwei Netzkonzepte denkbar: 2. Nicht notwendigerweise eigensicheres HS-Netz und MS-Transport- und Verteilungsnetz (siehe Bild 1b) und 3. nicht notwendigerweise eigensicheres HS-Netz mit MS-Strangnetz (siehe Bild 1c). Bei den spannungsebenenübergreifenden Netzkonzepten ist eine eigensichere Auslegung des HS-Netzes gegenüber der getrennten Planung nicht zwingend erforderlich, da die Redundanz zur Erfüllung von Planungskriterien, wie z. B. das (n-1)-Kriterium, auch über das MS-Netz erfüllt werden kann. Bei Netzkonzept 2 kann die Reservestellung – statt wie in Netzkonzept 1 mit eigensicherer Umspannung in und eigensicherem HS-Anschluss der Umspannstationen – über das MS-Transportnetz erfolgen. Die in der MS- Ebene befindlichen Ortsnetz- und Kundenstationen werden ausgehend von den HS/MS-Umspann- oder MS-Schwerpunktstationen über reine Verteilungsnetze mit Ringstruktur versorgt. Netzkonzept 3 weist in der MS-Ebene ein Strangnetz auf, das i. d. R. wie ein MS-Ringnetz als reines Verteilungsnetz realisiert ist. Bei entsprechender Auslegung bzw. geringerer Vorbelastung des MS-Strangnetzes IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 61

FORSCHUNGSPROJEKTE kann dieses auch Transportfunktion übernehmen, so dass wie bei Netzkonzept 2 mit MS-Transport- und Ringnetz die Reservestellung durch das MS-Strangnetz möglich ist. a) b) c) HS-Leitung, HS-Schaltanlage MS-Leitung, MS-Schaltanlage HS/MS-Transformator Ortsnetzstation Bild 1: HS/MS-Netzkonzepte bei getrennter und spannungsebenenübergreifender Planung 2.2 Potenzial bei spannungsebenenübergreifender Planung Analysen zur Abschätzung zusätzlicher Kosteneinsparpotenziale bei spannungsebenenübergreifender Planung zeigen, dass sich aufgrund der erhöhten Leitungskapazität bei einer Betriebsspannung von 20 kV im MS-Netz höhere Kostenreduzierungspotenziale als bei 10 kV erzielen lassen. Des Weiteren zeigt sich, dass ein Vorteil der spannungsebenenübergreifenden Planung nur bei höheren Lastdichten existiert. Untersuchungen an homogenen Versorgungsgebieten zeigen, dass dieser Vorteil ab ca. 1 MVA/km² vorliegt und mit steigender Lastdichte anwächst. Bei spannungsebenenübergreifend geplanten, homogenen Versorgungsgebieten mit einer Lastdichte von 5 MVA/km² und Netzkonzept MS-Transport- und Verteilungsnetz stellt sich ein zusätzliches Kostenreduzierungspotenzial von 8% ein. Bei Wahl des Netzkonzeptes mit MS- Strangnetz und gleichzeitiger Reservestellung zeigt sich nur eine Kostenreduzierung von 5%. Bei Änderung letzteren Netzkonzeptes in eine Kombination aus MS- Strang- und Ringnetz ergibt sich gegenüber Netzkonzept 2 ein leicht höheres Kostenreduzierungspotenzial von 8,5%. Dieses Netzkonzept weist jedoch technische Nachteile durch eine aufwändigere Realisierung auf, da zusätzliche Randbedingungen zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs erfüllt werden müssen. 3 Verfahren Die Bewertung des Nutzens einer spannungsebenenübergreifenden Planung von HS- und MS-Netz erfolgt durch den bewertenden Vergleich von getrennt mit spannungsebenenübergreifend geplanten Netzen, die im Rahmen einer Grundsatzplanung ermittelt werden. Die Bewertung der Netze erfolgt anhand ihrer annuitätischen Kosten und Versorgungszuverlässigkeit. Zur Ermittlung getrennt geplanter Zielnetze kann auf bestehende Verfahren zurückgegriffen werden [1, 2]. Da derzeit kein Verfahren zur spannungsebenenübergreifenden Planung vorliegt, wird im Rahmen dieser Arbeit ein derartiges Verfahren entwickelt. Das neu entwickelte Verfahren ist in mehrere Stufen unterteilt (siehe Bild 2). In einer dem Optimierungsverfahren vorgeschalteten Verfahrensvorstufe wird für die spannungsebenenübergreifenden Netzkonzepte ein MS-Transport- bzw. Strangnetzbereich identifiziert, der zusammen mit dem HS-Netzbereich in das Optimierungsverfahren überführt wird. Der ebenfalls ausgewiesene Verteilungsnetzbereich wird separat mit dem bestehenden Verfahren [2] geplant. Getrennte Planung Planung der MS-Ebene mit [2] Planung der HS-Ebene mit [1] Ergebnis Ergebnis Kostenminimales MS-Netz Kostenminimales HS-Netz Spannungsebenenübergreifende Planung Planung der HS-Ebene und MS-Transport- /Strangnetzebene mit neuentwickeltem Verfahren Ergebnis Kostenminimales HS-MS-Netz Bewertender Vergleich Verfahrensvorstufe Planung der MS- Verteilungsebene mit [2] Kosten und Versorgungszuverlässigkeit Bild 2: Verfahrensübersicht zur getrennten und spannungsebenenübergreifenden Planung 62 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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